CN100541312C - 照明设备和摄像设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括受来自光源的热量的影响较小的光学部件的小型照明设备。该照明设备具有光源和光学部件。该光学部件布置得比光源更靠近从所述照明设备发出的光线所照射的照射区域并且具有形成为折射表面的入射表面。入射表面具有第一区域和第二区域，第一区域接收相对于照射光轴以比第一角度小的角度从光源发射的第一光分量，第二区域接收相对于照射光轴以比第一角度大并且比第二角度小的角度发射的第二光分量。在照射光轴的方向上第二区域比第一区域定位得更靠近光源。第一和第二区域的每一个形成为平表面或具有面对光源的凹面形状的弯曲表面。

Description

照明设备和摄像设备

技术领域

本发明涉及一种用在摄像设备或类似物等中的照明设备。

背景技术

用在诸如摄像机之类的摄像设备中的照明设备由光源和诸如用来把从光源发射的光通量向光照射侧(向对象)引导的反射镜和菲涅耳透镜之类的光学部件形成。为了把从光源在各个方向发射的光通量高效地收集到必要的照射区域已经提出了各种小型照明设备。

具体地说，一些最近提出的设备采用：实现全反射的光学部件，如棱镜；和光导管，光导管设置成实现均匀的光分布、改进的光收集效率、及减小的尺寸，代替布置得比光源更靠近物体的菲涅耳透镜。

例如，日本专利公开No.2000-250102已经提出了一种照明设备，该照明设备具有用来在光照射方向上施加来自光源的光通量的光学棱镜。在该照明设备中，光学棱镜具有：第一入射表面，它接收来自光源的靠近照射光轴发射的光通量部分；出射表面，来自第一入射表面的光通量从该出射表面直接出射；第二入射表面，它接收来自光源的以比靠近照射光轴的角度大的角度发射的光通量部分；及全反射表面，它全反射来自第二入射表面的光通量，并且使反射的光通量从出射表面出射。在该照明设备中，上述各个表面形成为，具有在从光源中心发射的光通量相对于照射光轴的角度与从出射表面出射的光通量相对于照射光轴的角度之间建立一定相互关系的形状。

作为光学棱镜的材料，鉴于成形性和成本常常使用诸如丙烯酸树脂之类的光学树脂材料。

在这种类型的照明设备中，光源产生与光一起的大量热量。为了防止光学材料由于热量造成而变形，必须考虑在一次光发射中产生的热能和最短光发射周期而选择光学材料和限定热辐射空间。结果，在以上描述的日本专利公开No.2000-250102中提出的照明设备中，在接收从光源以较大角度发射的光通量的第二入射表面与光源之间需要保证稍大的距离。

然而，对于以这种方式设置的第二入射表面的位置，光学棱镜的高度容易增大，这使得难以减小照明设备的尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学部件受来自光源的热量的影响较小的小型照明设备。

根据一个方面，本发明提供一种具有光源、和光学部件的照明设备。该光学部件布置得比光源更靠近从所述照明设备发出的光线所照射的照射区域并且具有形成为折射表面。入射表面具有第一区域和第二区域。第一区域接收相对于照射光轴以比第一角度小的角度从光源发射的第一光分量。第二区域接收相对于照射光轴以比第一角度大并且比第二角度小的角度发射的第二光分量。在照射光轴的方向上第二区域比第一区域定位得更靠近光源。第一区域和第二区域的每一个形成为平表面和具有面对光源的凹面形状的弯曲表面之一。

本发明的其它目的和特征由参照附图的优选实施例的如下描述可清楚看出。

附图说明

图1示意表示包括本发明的实施例1的照明设备的摄像机。

图2是透视图，表示实施例1的照明设备。

图3是分解透视图，表示实施例1的照明设备。

图4A是实施例1的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图4B是实施例1的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图4C是实施例1的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图5是透视图，表示本发明的实施例2的照明设备。

图6是分解透视图，表示实施例2的照明设备。

图7A是实施例2的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图7B是实施例2的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图7C是实施例2的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图8是透视图，表示本发明的实施例3的照明设备。

图9是分解透视图，表示实施例3的照明设备。

图10A是实施例3的照明设备在YZ平面中的截面视图。

图10B是实施例3的照明设备在YZ平面中的截面视图。

具体实施方式

下文将参照附图描述本发明的优选实施例。

(实施例1)

图1示意表示包括本发明的实施例1的照明设备的摄像机(摄像设备)。

在图1中，附图标记1表示摄像机本体。附图标记2表示保持未表示的摄像镜头的透镜筒。附图标记10表示诸如CCD传感器和CMOS传感器之类的图像拾取装置，它用来光电转换由在透镜筒中的摄像光学系统形成的物体图像。附图标记3和4分别表示取景器和释放按钮。附图标记5表示当从前面看时布置在摄像机本体1的右上部分中的上述照明设备。

尽管结合与镜头一体化的小型摄像机描述实施例1，但本发明可应用于为具有可互换镜头的单镜头反光摄像机而设置在内部或外部的照明设备。另外，尽管结合数码摄像机描述实施例1，但本发明可应用于安装在胶卷摄像机上的照明设备。

图2是透视图，表示实施例1的组装后的照明设备。图3表示照明设备的分解透视图。如图2和3中所示，照明设备5具有：圆柱形放电电弧管(下文简称为电弧管)6，它用作光源并且发射诸如闪烁光之类的照明光；反射部件7，它反射从电弧管6辐射的在与电弧管6的纵向方向(X方向)正交的平面(YZ平面)中相对于照明设备的照明光轴AXL以大角度传播的光通量部分和相对物体向后传播的光通量部分，并且把这些光通量分量重新导向到指向物体的前面；及光学棱镜(光学部件)8，它高效地把直接从电弧管6进入的光通量和由反射部件7反射之后进入的光通量施加到必要的照射范围上。

反射部件7在与电弧管6的纵向方向正交的平面中具有曲率，并且其内表面由诸如具有高反射率的光亮的铝之类的金属材料制成。光学部件8由诸如光学玻璃和丙烯酸树脂之类的具有高透射率的光学材料制成。

在包括上述照明设备的在图1中表示的摄像机中，例如当设置“自动闪光模式”并且用户按下释放按钮4时，未表示的中央处理单元基于由未表示的测光设备测量的物体的亮度、和图像拾取装置10的灵敏度确定是否应该使照明设备发射光。如果中央处理单元确定应该使照明设备发射光，则它输出光发射信号以通过连接到反射部件7上的未表示的触发器引线使电弧管6发射光。相对于照射光轴AXL成大角度的发射光通量部分、和向后传播的发射光通量部分，通过反射部件7进入布置在电弧管6前面的光学部件8，而相对于照射光轴AXL成比较小角度的发射光通量部分直接进入光学部件8。进入光学部件8的光变成具有预定的光分布特性，并且然后施加到在物体侧的必要照射区域上。

在图2和3中，棱镜表面8a形成在物体侧的光学部件8的出射表面上，用来控制在水平方向(X方向)上的光分布特性。在竖直方向(Y方向)上的光分布特性由光学部件8和反射部件7控制。

在实施例1中，光学部件8和反射部件7的形状被最适当地规定，以便优化在竖直方向(Y方向)上的光分布特性。下文参照图4A至4C将详细描述光学部件8和反射部件7的优化形状的设置。

图4A至4C是照明设备5在包括电弧管6的直径方向的平面(YZ平面)中的截面视图。光学部件8的入射表面8b具有：第一入射部分(第一区域)8b1，它主要接收从电弧管6向前发射的靠近照射光轴AXL传播的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1小的角度发射的第一光通量；和第二入射部分(第二区域)8b2，它主要接收对角线向前传播的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1(在图4B中表示为稍大于角度θ1的角度θ1a)大并且比第二角度θ2小的角度发射的第二光通量。光学部件8还具有基本上全反射从第二入射部分8b2进入光学部件8的第二光通量的全反射表面8c。

反射部件7具有：反射表面7a，它主要反射相对于照射光轴AXL从电弧管6竖向传播的光通量，即以比第二角度θ2(在图4B中表示为稍大于角度θ2的角度θ2a)大的角度发射的第三光通量；和半圆柱形部分7b，它主要把向后传播的光通量反射到电弧管6的中心。

应该注意，图4A至4C表示光学部件8和反射部件7的形状以及从电弧管6的中心发射的第一至第三光通量的光线轨迹图。

在实施例1中，电弧管6、反射部件7、及光学部件8具有相对于照射光轴AXL竖向对称的形状。由于光线轨迹图也是竖向对称的，所以在图4A至4C中省去从光源的中心发射的在纸面上最初向下侧传播的光通量部分的光线轨迹图。

实施例1的照明设备5的特征在于，它能在竖直方向(Y方向)上提供均匀的光分布特性，并且它在竖直方向上具有极小的孔高度。下文将对用来实现这些特性的形状和光线如何传播进行描述。

在图4A至4C中，电弧管6用其玻璃管的内外直径表示。常常使在这种类型的照明设备中的实际电弧管完全在内径中发射光以改进效率，并因而能确实地说，电弧管完全在内径中大体均匀地发射光。

然而，在设计阶段，为了有效地控制从电弧管(光源)6发射的光，最好假定点光源理想地呈现在光源中心O处来设计光学系统的形状，然后通过考虑具有一定有限尺寸的光源进行校正，而不是同时考虑在内径中的所有光通量。

基于该想法，在实施例1中，把电弧管6的内和外直径的中心作为用来确定形状的基准位置来考虑，并且按下面描述的那样设置光学部件8和反射部件7的各个部分的形状。

作为光学部件8的材料，鉴于成形性和成本，最适合使用诸如丙烯酸树脂之类的光学树脂材料。然而，在这种类型的照明设备中，光源在产生光的同时产生大量热量。必须考虑到在一次光发射中产生的热能和最短光发射周期来选择光学材料和限定热辐射空间，以防止热量的影响。

位置最靠近光源的光学部件8的入射表面8b实际上受热量的影响最大。因而，在光源与入射表面8b之间的最短距离需要首先决定。在实施例1中，在接收从光源中心O以靠近照射光轴AXL的角度发射的第一光通量的第一入射部分8b1与电弧管6的外径之间限定最短距离d。

如果在入射表面8b与光源之间的距离太大，则整个光学系统的尺寸增大。因而，最短距离d希望落在如下范围内：

D/10≤d≤D/2        (1)

其中D代表放电电弧管的直径。

其次，确定入射表面8b的形状。在图4A中表示的截面视图中，接收从光源中心发射的第一光通量的入射表面8b的第一入射部分8b1形成为大体与照射光轴AXL垂直的平表面，或者具有诸如具有小曲率的圆弧或椭圆之类的二次曲面的横截面的圆柱形表面或复曲面、或光滑自由形式表面。这些弯曲表面具有面对放电管6的凹面形状。

对于以这种方式设置的第一入射部分8b1，能认为从光源中心发射的光通量等于通过平行板的光通量，并且靠近照射光轴AXL传播的第一光通量几乎没有发散或会聚地从光学部件8出射。因而，建立如下关系：

α≈θ1                        (2)

其中θ1代表相对于照射光轴AXL从光源中心O入射在第一入射部分8b 1上的第一光通量的出射角度，α代表来自光学部件8的出射表面8a的第一光通量的出射角度。上述关系意味着角度α大体等于角度θ1。在这种情况下，出射表面8a的孔高度h能设置到适当尺寸以控制光通量，从而出射角度α与必要的光分布角度相对应。

具体说来，在从光源中心O发射并且从第一入射部分8b1进入光学部件8的第一光通量中，在照射光轴AXL上传播的光通量按原样通过光学部件8。以此光通量分量为基点，第一光通量相对于照射光轴AXL以大体等于从光源中心O出射的角度θ1的出射角度α从出射表面8a出射。“大体等于”包括它们完全地相同的情形和它们不是完全地相同但能认为它们在光学特性方面相同的范围内有所不同的情形。

其次，在图4B中表示的截面视图中，接收从光源中心O发射的第二光通量的第二入射部分8b2形成为相对于照射光轴AXL倾斜的平表面，或者具有诸如圆弧或椭圆之类的二次曲面的横截面的圆柱形表面或复曲面、或光滑自由形式表面。这些弯曲表面具有面对放电管6的凹面形状。

在图4B中表示的截面视图中，角度φ代表第二入射部分8b2在它形成为平表面时相对于照射光轴AXL的倾斜角，或者当第二入射部分8b2形成为弯曲表面时，代表弯曲表面的切线相对于照射光轴AXL在锐角侧的(最小)倾斜角(在离照射光轴AXL最远的弯曲表面的端部处的切线的倾斜角)。倾斜角φ希望落在如下范围内：

45°≤φ＜90°                        (3)

这是考虑到当以后描述的由反射部件7的反射表面7a反射的第三光通量入射在第二入射部分8b2上时由在入射表面8b上的反射造成的折射光的减少、和将第二入射部分8b2放置在比第一入射部分8b1离光源更远的位置以减小来自光源的热量的影响。

其次，全反射表面8c的倾斜角设置成大体全反射从第二入射部分8b2入射在其上的光通量。具体地说，限定全反射表面8c的形状，从而由最靠近物体的全反射表面8c的部分全反射的光通量相对于照射光轴AXL形成最大角度。换句话说，全反射表面8c的形状借助于由如下表示的连续非球形表面被规定：

β＝f(θ1)                                (4)

其中θ1代表入射在第二入射部分8b2上的光通量相对于照射光轴AXL的角度，并且β代表在通过光学部件8的全反射表面8c的控制之后从出射表面8a出射的第二光通量相对于照射光轴AXL的角度。

如图4B中所示，在从光源中心O发射、从第二入射部分8b2进入光学部件8、及大体由全反射表面8c全反射的第二光通量中，相对于照射光轴AXL以最小出射角度θ1a从光源中心O发射的光线由全反射表面8c反射，并因而变成相对于照射光轴AXL以最大角度出射的分量。在由全反射表面8c大体全反射的第二光通量中，相对于照射光轴AXL以最大出射角度θ2从光源中心O发射的光线由全反射表面8c反射，并因而变成最接近与照射光轴AXL平行的分量。

反射在出射角θ1和θ2的分量之间存在的光通量分量的全反射表面8c的部分形成为，具有从出射表面8a的出射角度在上述出射角度β内与从光源中心O的出射角度成比例地逐渐变化的表面形状。

也就是说，全反射表面8c形成为具有由下式表示的形状：

β＝m(θ2-θ1)            (θ1a≤θ1≤θ2)        (5)

其中θ1代表从光源中心O向第二入射部分8b2传播的光通量相对于照射光轴AXL的角度，β代表从出射表面8a的出射角度，θ2代表从第二入射部分8b2的端部(离照射光轴AXL最远的部分)进入光学部件8的光线相对于照射光轴AXL的角度，及m代表取决于必要照射角度的比例常数。

在图4A至4C的截面视图中，入射表面8b的第一入射部分8b1可以连接到第二入射部分8b2上，在它们之间有不连续的边界。然而，在实施例1中，边界形成为具有从入射部分8b1和8b2的一个向另一个连续变化的倾斜角的弯曲表面。

如上所述，实施例1的光学部件8的入射表面8b具有作为整体面对电弧管6的凹面形状，而不包括面对电弧管6的凸面形状。

其次，在实施例1中，如图4C中所示，以如下方式确定反射部件7的反射表面7a的形状，以便以最小形状实现在必要照射区域中的均匀光分布。

也就是说，当如上述那样已经确定入射表面8b的形状时，反射表面7a成形为，建立在来自光源中心O的第三光通量的出射角度、与在第三光通量由反射表面7a反射并通过光学部件8之后来自光学部件8的第三光通量的出射角度之间的某种相互关系。换句话说，反射表面7a的形状借助于由下式表示的连续非球形形状规定：

γ＝g(θ1)                        (6)

其中θ1代表来自光源中心O的第三光通量的出射角度，并且γ代表在通过反射表面7a的反射并通过出射表面8b的折射之后来自光学部件8的第三光通量的出射角度。具体地说，在实施例1中，θ1和γ设置成在这些相互关系中具有比例关系，以实现均匀的光分布特性。

对于这种设置，在从光源中心O发射并且由反射表面7a反射的第三光通量中，在最小出射角度θ1下的光通量分量，即由反射表面7a的端部反射的光通量分量，入射在入射表面8b上并且然后变成最接近与照射光轴AXL平行的分量。另一方面，在最大出射角度θ1下的分量，即在与照射光轴AXL相垂直的方向上的分量，由反射表面7a反射和入射在入射表面8b上，并因而变成相对于照射光轴AXL以最大角度出射的分量。

反射在最大和最小出射角的分量之间存在的光通量分量的反射表面7a的部分形成为，具有从光学部件8的出射角度在上述出射角度γ内与从光源中心O的出射角度成比例地逐渐变化的表面形状。

也就是说，反射表面7a形成为具有由下式表示的形状：

γ＝n(θ1-θ3)            (θ3≤θ1≤90°)    (7)

其中θ1代表向反射表面7a传播的光通量相对于照射光轴AXL的角度，γ代表从出射表面8a的出射角度，θ3代表由反射表面7a反射的端部反射的光线相对于照射光轴AXL的角度，及n代表取决于必要照射角度的比例常数。

尽管没有表示，但将进行在照射光轴上向电弧管6的后部传播的光通量的光学路径的描述。与光源中心O同心的半圆柱形部分7b提供在照射光轴的后部中，并且电弧管6的玻璃管也与光源中心O同心，从而从光源中心O向后发射的所有光通量穿过玻璃管返回光源中心O而不受折射的影响。返回到光源中心O的光线大体均匀地施加到必要照射区域上，具有与在图4A至4C中表示的光线轨迹图中那些特性大体相同的特性。

另外，各个表面的形状能设置成，第一至第三光通量在它们由光学部件8和反射部件7变化之后大体具有相同的光分布，由此在必要的照射区域中实现均匀的光分布。

因而，用于摄像机的照明设备，除当要求特定光分布时之外，希望具有落在如下范围内的各个值。

明确地说，满足如下：

0.8≤|βmax/αmax|≤1.2                (8)

0.8≤|γmax/αmax|≤1.2                (9)

其中αmax代表从入射表面8b的第一入射部分8b1进入光学部件8并且从出射表面8a出射的第一光通量相对于照射光轴AXL的最大角度，βmax代表从第二入射部分8b2进入光学部件8、由全反射表面8c反射、及然后从出射表面8a出射的第二光通量相对于照射光轴AXL的最大角度，及γmax代表由反射部件7的反射表面7a反射、从入射表面8b进入光学部件8、及从出射表面8a出射的光通量相对于照射光轴AXL的最大角度。换句话说，αmax、βmax、及γmax大体相等。

当光源的内径足够小时或者当认为光学部件对于光源足够大时，上述方法能用来以相当好的效率控制光分布。

然而，在考虑实际光分布时，用作其有效光发射部分的光源的内径在多数情况下不是可忽略地小，并且光源的尺寸对于整个光分布特性具有巨大影响。由于光源的限定尺寸引起光分布的一定扩展，所以在某种程度上需要通过考虑该因素而设置形状。

另一方面，假定光源是点光源，形状希望匹配按上述确定的形状，但实际上，光源具有与电弧管的内径相对应的有限尺寸，并因而即使当不严格地按以上描述规定形状时，也能大体提供相同的光分布特性。

有一些能实现与由按上述确定的形状提供的光分布特性大体相同的效果的形状，例如接近按上述确定的形状的单个或多个平表面或圆柱形表面或诸如椭圆之类的二次曲面。

因此，光学部件8的入射表面8b、全反射表面8c、及反射部件7的反射表面7a不限于严格满足上述表达式的形状，并且可以是近似与光学部件和反射部件的各个表面的形状近似对应的形状。

当光学部件和反射部件以近似形状形成时，有利的是与表面的形状为非球形形状相比能够非常容易地测量实际加工部件是否按设计制造。

事实上，通过使用按近似形状制造的光学部件和反射部件进行的试验表明了一种光分布特性，该光分布特性与由上述表达式(4)至(9)表示的形状的光分布特性相差不大。

在实施例1中，假定将该设备用于实际产品，薄肋板8d在光学部件8的前侧的整个外周缘的周围与光学部件8整体地形成，即，作为光学部件8的全反射表面8c的延伸部，以暴露作为摄像机外部部件的光学部件8的出射表面8a。这成形为与未表示的摄像机外部部件相匹配，以防止通过在光学部件8与摄像机外部部件之间的间隙看到摄像机内部，并且这为了如下目的而添加。也就是说，把它设置成，防止在由金属制成的反射部件7与用作摄像机的外部部分的金属盖之间或与布置在光学部件8与摄像机外部部件之间的间隙中的传导物之间发生触发泄漏，这种泄漏导致发射光的失败。

一般地说，在作为实施例1的照明设备中，反射部件7直接供有用于放电电弧管6的高压触发信号，以通过与反射部件7相接触的放电电弧管6的NESA涂层开始发射光。然而，在作为实施例1的小型化的照明设备中，反射部件靠近金属外部部件或在摄像机外的传导物放置，从而触发泄漏现象容易发生。

如以上描述的那样在光学部件8的前侧的整个外周缘周围添加肋板8d能延伸边缘长度，以防止触发泄漏现象。同时，它有效地防止灰尘或水滴从外面进入摄像机。

(实施例2)

图5至7表示本发明的实施例2的照明设备的结构。照明设备安装在如在实施例1中描述的摄像机上。图5是从前面看时实施例2的照明设备的透视图。图6是从前面看时实施例2的照明设备的分解透视图。实施例2与实施例1的不同之处在于，反射部件和光学部件具有绕通过光源的中心的照射光轴旋转对称的形状。

照明设备10具有：灯11，它作为光源发射照明光；反射部件12，它反射从灯11辐射的相对于照明光轴AXL向前面以大角度向物体传播的光通量部分；及光学部件13，它高效地把从灯11直接进入光学部件13的光通量和在通过反射部件12的反射之后进入光学部件13的光通量施加到必要的照射范围上。反射部件12具有由诸如具有高反射率的光亮的铝之类的金属材料制成的内表面。光学部件13由诸如光学玻璃和丙烯酸树脂之类的具有高透射率的光学材料制成。反射部件12和光学部件13具有绕照射光轴AXL旋转对称的形状。

图7A至7C表示在穿过照射光轴AXL的平面中照明设备10的截面视图。示出了灯11但省略其灯丝、端子等。光学部件13的入射表面13b具有：第一入射部分(第一区域)13b1，它主要接收从灯11向前发射的靠近照射光轴AXL传播的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1′小的角度发射的第一光通量；和第二入射部分(第二区域)13b2，它主要接收对角线向前传播的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1′(在图7B中表示为比角度θ1′稍大的角度θ1a′)大并且比第二角度θ2′小的角度发射的第二光通量。光学部件13也具有大体全反射从第二入射部分13b2入射在其上的第二光通量的全反射表面13c。

反射部件12具有反射表面12a，该反射表面12a主要反射相对于照射光轴AXL从灯11竖向传播的光通量，即以比第二角度θ2′(在图7B中表示为比角度θ2′稍大的角度θ2a′)大的角度发射的第三照明光通量。

应该注意，图7A至7C表示光学部件13和反射部件12的形状、以及从灯11的中心发射的第一至第三光通量的光线轨迹图。

在实施例2中，灯11、反射部件12、及光学部件13具有相对于照射光轴AXL竖向对称(绕照射光轴AXL旋转对称)的形状。由于光线轨迹图也是竖向对称的，所以在图7A至7C中省略从光源的中心发射的在纸面上最初向下侧传播的光通量部分的光线轨迹图。

实施例2的照明设备10的特征在于，它能提供均匀的光分布特性，并且它能具有极小的孔径。下文将进行用来实现这些特性的形状和光线如何传播的描述。在实施例2中，基于与在实施例1中描述的那些相类似的想法设置光学部件13和反射部件12的形状。

在图7A中表示的截面视图中，接收来自灯11的第一光通量的入射表面13b的第一入射部分13b1形成为大体与照射光轴AXL垂直的平表面、或通过绕照射光轴AXL旋转诸如具有小曲率的圆弧或椭圆之类的二次曲面或光滑自由形式表面提供的弯曲表面。这些弯曲表面具有面对灯11的凹面形状。

对于以这种方式设置的第一入射部分13b1，从光源中心O发射的光通量能认为等同于通过平行板的光通量，并且第一光通量从出射表面13a出射而几乎没有发散或会聚。

具体地说，在从光源中心O发射并且从第一入射部分13b1进入光学部件13的第一光通量中，在照射光轴AXL上传播的光通量按原样通过光学部件13。以此光通量分量为基点，第一光通量相对于照射光轴AXL以大体等于从光源中心O出射的角度θ1′的出射角度α′从光学部件13的出射表面13a出射。

在图7B中表示的截面视图中，接收从灯11发射的第二光通量的入射表面13b的第二入射部分13b2形成为相对于照射光轴AXL倾斜的平表面、或通过绕照射光轴AXL旋转诸如圆弧或椭圆之类的二次曲面提供的弯曲表面、或光滑自由形式表面。这些弯曲表面具有面对灯11的凹面形状。

在图7B中表示的截面视图中，角度φ代表第二入射部分13b2在它形成为平表面时相对于照射光轴AXL的倾斜角，或者当第二入射部分13b2形成为弯曲表面时，代表弯曲表面的切线相对于照射光轴AXL在锐角侧的(最小)倾斜角(在离照射光轴AXL最远的弯曲表面的端部处的切线的倾斜角)。倾斜角φ希望落在如下范围内：

45°≤φ≤90°                    (3)′

原因与在实施例1中的那些相同。

全反射表面13c的形状规定为满足如下。具体地说，在入射在第二入射部分13b2上并且由全反射表面13c大体全反射的第二光通量中，相对于照射光轴AXL以最小出射角度θ1a′从光源中心O发射的光线由全反射表面13c反射，并因而变成相对于照射光轴AXL以最大角度出射的分量。另一方面，相对于照射光轴AXL以最大出射角度θ2′从光源中心O发射的第二光通量的光线由全反射表面13c反射，并因而变成最接近与照射光轴AXL平行的分量。

反射在出射角θa1′和θa2′的分量之间存在的光通量分量的全反射表面13c的部分形成为，具有从出射表面13a的出射角度在大体等于上述出射角度α′的出射角度β′内与从光源中心O的出射角度成比例地逐渐变化的形状。

在图7A至7C的截面视图中，入射表面13b的第一入射部分13b1可以连接到第二入射表面13b2上，在它们之间有不连续的边界。然而，在实施例2中，该边界形成为具有从入射部分13b1和13b2中的一个向另一个连续变化的倾斜角的弯曲表面。

如上所述，实施例2的光学部件13的入射表面13b具有作为整体面对灯11的凹面形状，而不包括面对灯11的凸面形状。

其次，如图7C中所示，以如下方式确定反射部件12的反射表面12a的形状，以便以最小形状实现在必要照射区域中的均匀光分布。

当如上述那样已经确定入射表面13b的形状时，反射表面12a在实施例2中成形为，建立在来自光源中心O的第三光通量的出射角度、与来自光学部件13的第三光通量在它由反射表面12a反射和通过光学部件13之后的出射角度之间的某种相互关系。

具体地说，在从光源中心O发射的第三光通量中，相对于照射光轴AXL以最小出射角度θ2a′发射并且由反射表面12a的端部反射的光线，入射在入射表面13b上并且然后变成最接近与照射光轴AXL平行的分量。另一方面，相对于照射光轴AXL以最大出射角度θ3′发射并且由较靠近光源的反射表面12a的端部反射的第三光通量的光线，入射在入射表面13b上并然后变成相对于照射光轴AXL以最大角度出射的分量。

反射在最大和最小出射角θ2a′和θ3′的分量之间存在的光通量分量的反射表面12a的部分形成为，具有从出射表面13a的出射角度在与上述出射角度α′和β′大体相等的出射角度γ′内与从光源中心O的出射角度成比例地逐渐变化的形状。“大体相等”是指满足在实施例1中描述的表达式(8)和(9)。

各个表面的形状能设置成，使第一至第三光通量在它们由光学部件13和反射部件12改变之后具有大体相同的光分布，由此实现在必要照射区域中的均匀光分布。

如以上在实施例1中描述的那样，由于光源具有有限尺寸，所以实际光分布具有一定扩展。然而，基于上述关系能对光源尺寸的影响进行校正，以实现用来达到均匀光分布必需的各个表面的形状。

具有与在实施例1中的功能相同的肋板13d形成在光学部件13前侧的整个外周缘周围。

尽管已经描述了灯用作光源的情形的实施例2，但能使用绕照射光轴具有旋转对称形状的另一种光源，如LED和球形电弧管。

(实施例3)

图8至10表示是本发明的实施例3的照明设备的结构。照明设备安装在诸如在实施例1中之类的摄像机上。图8是从前面看时实施例3的照明设备的透视图。图9是从前面看时实施例3的照明设备的分解透视图。实施例3与实施例2的不同之处在于，平光源用作光源，并且平光源靠近光学部件定位以除消反射部件。

照明设备20具有：发光二极管(LED)21，它作为光源是用来发射照明光的表面光源；和光学部件22，它高效地向物体施加从LED 21直接进入的光通量。光学部件22由诸如光学玻璃和丙烯酸树脂之类的具有高透射率的光学材料制成。光学部件22具有绕照射光轴AXL旋转对称的形状。由于光源由LED实现，所以即使当LED靠近光学部件22定位时，光学部件22也几乎不受不利影响。因而，实施例3的特征在于，它能提供均匀的光分布特性，并且通过把光学部件22布置得靠近LED 21能具有比常规设备小的孔径。

图10A和10B表示在穿过照射光轴AXL的平面中的照明设备20的截面视图。荧光材料21a形成在LED 21的发光表面上。

光学部件22的入射表面22b具有：第一入射部分(第一区域)22b1，它接收从LED 21向前发射的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1″小的角度发射的第一光通量；和第二入射部分(第二区域)22b2，它主要接收对角线向前传播的光通量部分，即相对于照射光轴AXL以比第一角度θ1″(在图10B中表示为比角度θ1″稍大的角度θ1a″)大的角度发射的第二光通量。光学部件22也具有向物体全反射从第二入射部分22b2入射在光学部件22中的第二光通量的全反射表面22c。

应该注意，图10A和10B表示光学部件22的形状、以及从LED21的中心发射的第一和第二光通量的光线轨迹图。

在实施例3中，如图10A和10B中所示，LED 21和光学部件22具有相对于照射光轴AXL竖向对称(绕照射光轴AXL旋转对称)的形状。由于光线轨迹图也是竖向对称的，所以在图10A和10B中省略从光源的中心发射的在纸面上最初向下侧传播的光通量部分的光线轨迹图。

基于与在实施例1中描述的那些相类似的想法，规定在实施例3中的光学部件的形状。下文将进行形状和光线如何传播的描述。

在图10A中表示的截面视图中，接收从光源中心O发射的第一光通量的光学部件22的入射表面22b的第一入射部分22b1形成为大体与照射光轴AXL垂直的平表面、或通过绕照射光轴AXL旋转诸如具有小曲率的圆弧或椭圆之类的二次曲面提供的旋转对称表面。这些弯曲表面具有面对LED 21的凹面形状。

对于以这种方式设置的第一入射部分22b1，从光源中心O发射的光通量能认为等同于通过平行板的光通量，并且第一光通量从出射表面22a出射而几乎没有发散或会聚。

具体地说，在从光源中心O发射并且从第一入射部分22b1进入光学部件22的第一光通量中，在照射光轴AXL上通过光源中心O传播的光通量按原样通过光学部件22。以这个光通量分量为基点，第一光通量相对于照射光轴AXL以大体等于从光源中心O出射的角度θ1″的出射角度α″从光学部件22的出射表面22a出射。

其次，在图10B中表示的截面视图中，接收从光源中心O发射的第二光通量的第二入射部分22b2的端部形成为相对于照射光轴AXL倾斜的平表面、或通过绕照射光轴AXL旋转诸如圆弧或椭圆之类的二次曲面提供的表面、或光滑自由形式表面。这些弯曲表面具有面对LED 21的凹面形状。

在图10B中表示的截面视图中，角度φ代表第二入射部分22b2在它形成为平表面时相对于照射光轴AXL的倾斜角，或者当第二入射部分22b2形成为弯曲表面时，代表弯曲表面的切线相对于照射光轴AXL在锐角侧的(最小)倾斜角(在离照射光轴AXL最远的弯曲表面的端部处的切线的倾斜角)。倾斜角φ希望落在如下范围内：

45°≤φ＜90°                    (3)′

原因与在实施例1中的那些相同。

全反射表面22c的形状规定为满足如下。具体地说，在从第二入射部分22b2入射在其上并且由全反射表面22c大体全反射的第二光通量中，相对于照射光轴AXL以最小出射角度θ1a″从光源中心O发射的光线由全反射表面22c反射，并因而变成相对于照射光轴AXL以最大角度出射的分量。另一方面，相对于照射光轴AXL以最大出射角度θ2″从光源中心O发射的第二光通量的光线由全反射表面22c反射，并因而变成最接近与照射光轴AXL平行的分量。

反射在出射角θa1″和θa2″的分量之间存在的光通量分量的全反射表面22c的部分形成为，具有从出射表面22a的出射角度在大体等于上述出射角度α′的出射角度β″内与从光源中心O的出射角度成比例地逐渐变化的形状。“大体相等”是指满足在实施例1中描述的表达式(8)。

各个表面的形状能设置成，第一至第二光通量在它们由光学部件22改变之后具有大体相同的光分布，由此实现在必要照射区域中的均匀光分布。

在图10A和10B的截面视图中，入射表面22b的第一入射部分22b1可以连接到第二入射表面22b2上，在它们之间有不连续的边界。然而，在实施例3中，该边界形成为具有从入射部分22b1和22b2中的一个向另一个连续变化的倾斜角的弯曲表面。

如上所述，在实施例3中的光学部件22的入射表面22b具有作为整体面对LED 21的凹面形状，而不包括面对LED 21的凸面部分。

如在实施例1中描述的那样，由于光源具有有限尺寸，所以实际光分布具有一定扩展。然而，基于上述关系能对光源尺寸的影响进行校正，以实现用来达到均匀光分布必需的各个表面的形状。

具有与在实施例1中的功能相同的肋板22d形成在光学部件22前侧的整个外周缘周围。

尽管已经描述了LED用作平光源的情形的实施例3，但能使用另一种平光源，如有机LED。

另外，尽管结合具有旋转对称形状的光学部件和反射部件已经描述了实施例2和3，但有可能使用诸如椭圆之类的当从前面看时形状为非旋转对称但轴向对称的光学部件和反射部件。

如以上描述的那样，根据实施例1至3的每一个，光学部件在尺寸上与常规设备相比被减小，而光学部件(具体地说，入射表面)受到来自光源的热量的较小影响。因而，本发明能实现整个照明设备的较小尺寸，并且有助于减小采用该照明设备的摄像设备的尺寸。

Claims (7)

1.一种用于摄像的照明设备，包括：

光源；和

光学部件，它布置得比光源更靠近从所述照明设备发出的光线所照射的照射区域并且具有形成为折射表面的入射表面以及出射表面，

其中，所述入射表面具有第一区域和第二区域，所述第一区域接收相对于照射光轴以比第一角度小的角度从光源发射的第一光分量，所述第二区域接收相对于该照射光轴以比所述第一角度大并且比第二角度小的角度从光源发射的第二光分量，所述光学部件具有反射从所述第二区域进入所述光学部件的所述第二光分量的反射表面，由所述反射表面所反射的所述第二光分量从所述第一光分量所出射的出射表面的区域出射，

其中，在该照射光轴的方向上，上述第二区域比上述第一区域定位得更靠近所述光源，

其中，所述第一区域和第二区域中的每一个形成为平表面和具有面对所述光源的凹面形状的弯曲表面之一，及

其中，满足如下条件：

45°≤φ＜90°

其中，φ代表所述第二区域相对于所述照射光轴的倾斜角和所述第二区域的切线在锐角侧的倾斜角之一。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一区域连接到所述第二区域上，在它们之间具有弯曲表面。

3.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述入射表面形成至少在光源侧不包括凸面部分的凹面形状。

4.根据权利要求1所述的照明设备，其中，所述第一光分量和所述第二光分量相对于所述照射光轴以大体相等的角度从所述光学部件出射。

5.根据权利要求1所述的照明设备，还包括反射部件，该反射部件向所述入射表面引导相对于所述照射光轴以比所述第二光分量的出射角度大的角度从所述光源出射的第三光分量。

6.根据权利要求5所述的照明设备，其中，所述第一光分量、所述第二光分量及第三光分量相对于所述照射光轴以大体相等的角度从所述光学部件出射。

7.一种摄像设备，包括：

根据权利要求1至6任一项所述的照明设备，和

摄像系统，该摄像系统拍摄由来自所述照明设备的光照亮的目标的图像。

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